EP1275306B1 - Verfahren und Vorrichtung zum diskontinuierlichen Kühlen und Mischen einer fliessfähigen Lebensmittelzubereitung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum diskontinuierlichen Kühlen und Mischen einer fliessfähigen Lebensmittelzubereitung Download PDF

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EP1275306B1
EP1275306B1 EP02014707A EP02014707A EP1275306B1 EP 1275306 B1 EP1275306 B1 EP 1275306B1 EP 02014707 A EP02014707 A EP 02014707A EP 02014707 A EP02014707 A EP 02014707A EP 1275306 B1 EP1275306 B1 EP 1275306B1
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EP
European Patent Office
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boiling vessel
cooling
fruit preparation
coolant
vessel
Prior art date
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EP02014707A
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EP1275306A3 (de
EP1275306A2 (de
Inventor
Jürgen Dr. Becker
Dietmar Dipl.-Ing. Otte
Dieter Dr. Stauber
Johannes Baumer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Franz Zentis GmbH and Co KG
Original Assignee
Franz Zentis GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP1275306A3 publication Critical patent/EP1275306A3/de
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    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23B—PRESERVATION OF FOODS, FOODSTUFFS OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES; CHEMICAL RIPENING OF FRUIT OR VEGETABLES
    • A23B2/00—Preservation of foods or foodstuffs, in general
    • A23B2/80—Freezing; Subsequent thawing; Cooling
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23B—PRESERVATION OF FOODS, FOODSTUFFS OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES; CHEMICAL RIPENING OF FRUIT OR VEGETABLES
    • A23B2/00—Preservation of foods or foodstuffs, in general
    • A23B2/001—Details of apparatus, e.g. pressure feed valves or for transport, or loading or unloading manipulation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23B—PRESERVATION OF FOODS, FOODSTUFFS OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES; CHEMICAL RIPENING OF FRUIT OR VEGETABLES
    • A23B7/00—Preservation of fruit or vegetables; Chemical ripening of fruit or vegetables
    • A23B7/04—Freezing; Subsequent thawing; Cooling
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23L—FOODS, FOODSTUFFS OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; PREPARATION OR TREATMENT THEREOF
    • A23L21/00—Marmalades, jams, jellies or the like; Products from apiculture; Preparation or treatment thereof
    • A23L21/10—Marmalades; Jams; Jellies; Other similar fruit or vegetable compositions; Simulated fruit products

Definitions

  • the invention relates to a process for discontinuous cooling and mixing a flowable food preparation in one equipped with a rotating agitator Boiler, wherein the food preparation by means of the agitator along wall areas the boiler is moved and wherein one of a double jacket of the boiler educated Interspace is traversed by a heat transfer medium, which in a cooling device recooled and in the recooled state again the double jacket of the gap is supplied.
  • the invention relates to a device for discontinuous cooling and Mixing a flowable food preparation, with a boiler, with a rotary drivable Agitator is provided with which the food preparation along peripheral areas the boiler is movable, the boiler at least partially a double jacket has, through the intermediate space a heat transfer medium is conductive.
  • the aforementioned method as well as the aforementioned device are well known and are used in particular in the production of fruit preparations.
  • the fruit preparation is initially in a separate upstream of the cooling boiler Boil boiled and mixed with sugar and then in a pasteurized Condition drained in the usually lower arranged cooling vessel.
  • Both the Boilers as well as the cooling boilers are usually designed to be bulky, despite the Batch production to achieve a correspondingly large throughput. So are lot sizes of several hundred kilograms usual, whereby also masses up to over 1000 kg already realized.
  • the double jacket of the kettle with steam is flowed through is used as a heat transfer medium for cooling the cooling boiler in most cases used a so-called cooling sole, which is often a higher quality alcohol such as propylene glycol.
  • cooling sole which is often a higher quality alcohol such as propylene glycol.
  • the processable with such a cooling vessel per unit time mass through long cooling times reduced, so that the productivity and the efficiency of the method decreases.
  • Particularly critical in this context is the temperature range of below 35 to 40 ° C. since the cooling rate until reaching the filling temperature, which at approx.
  • the prior art also includes so-called scraper heat exchangers with which a continuous process for heating or cooling food preparations can be operated.
  • scraper heat exchangers with which a continuous process for heating or cooling food preparations can be operated.
  • a scraper heat exchanger acting as a heater connected to this heater are usually two or more than Cooler-acting scraper heat exchanger downstream.
  • These scraper heat exchanger exhibit an inner rotating cylinder on its lateral surface with a plurality of is provided in the axial direction extending scrapers. The scrapers brush along an inner circumferential surface of another cylinder.
  • the gap flows through between the second and the third cylinder of a heat transfer medium becomes.
  • a heat carrier medium for example, ammonia is used here. Due to the small filling material of such scraper heat exchanger and the small layer thickness of cooling food preparation, the passage speed can be comparatively be chosen large, resulting in short residence times of the food preparation in the Scraper heat exchangers result. Due to the continuous process is a vacuum cooling not possible in connection with scraper heat exchangers. As a disadvantage in continuous Procedures, it should be further considered that the change between different Product types due to the required complicated cleaning processes is not readily possible, so that an economical production of smaller quantities not possible.
  • the invention is based on the object, a batch process for cooling and Mixing a flowable food preparation to create, despite the batch production achieve high production volumes per unit time in an economical way to let. Furthermore, with the invention, an apparatus for carrying out the inventive Be provided method.
  • this object is achieved according to the invention achieved in that uses a compression refrigerant as the heat transfer medium that is within the space of the heat jacket at least in part of the liquid goes into the gaseous phase.
  • the effect of increasing the viscosity becomes avoided even with greater lowering of the temperature.
  • the compression refrigerant evaporates at least in part during its course through the double jacket and thus partially passes into the gaseous phase. Because of this phase transition required evaporation ebb can be a large amount of heat to the boiler to be cooled be withdrawn. With the help of the method according to the invention can thus be realize very high heat transfer coefficients in the double mantle, so that the Cooling times can be significantly reduced.
  • a drastic reduction of the needed Time that is, a drastic increase in the achievable temperature gradient occurs especially in the temperature range of below 40 ° C.
  • the filling temperature can thus significantly be achieved faster, which is why the economy of the method according to the invention is excellent.
  • chlorofluorocarbons CFCs
  • HCFC hydrogen-containing chlorofluorocarbons
  • R22, R123 and R124 refrigerants designated with the abbreviations R22, R123 and R124.
  • chlorine-free HFCs chlorine-free HFCs
  • halogen-free refrigerants are also suitable, such as propane (R290), ammonia (R717), CO 2 (R744) or the refrigerants R600A or R170.
  • propane R290
  • ammonia R717)
  • CO 2 R744
  • refrigerants R600A or R170 R600A or R170.
  • the effect of increasing the cooling rate is particularly great when the vacuum during a period of time is created by the temperature of the food still above about 30 ° C, preferably above about 40 ° C.
  • the invention further ausgestaltetend is provided that the cooling device, a heat exchanger is, which is traversed by a second compression refrigerant, which in a second refrigerant circuit is performed and with the first compression refrigerant in Heat exchange stands.
  • a heat exchanger is, which is traversed by a second compression refrigerant, which in a second refrigerant circuit is performed and with the first compression refrigerant in Heat exchange stands.
  • the underlying object is based of a device of the type mentioned solved in that the gap in the double jacket with a pressure of at least 10 bar can be acted upon.
  • the invention Method that is to realize the use of a compression refrigerant. Even if the pressure at the operating point of the device only at usually few bar (with ammonia at a temperature of - 17 ° C at around 2 bar), the in the compression chamber located in the intermediate space of the double jacket in particular at Downtimes in the summer up to room temperature or even over heated. In the event of ammonia in this case has a pressure of about 17 bar, which is the double jacket must withstand by providing a suitably solid construction.
  • the device of the invention is thus characterized by the fact that not only with her Cooling soles are usable, but also compression refrigerants, where in the double jacket a phase change occurs. Due to the low temperatures associated with such Compression refrigerants can be realized with barely increasing viscosity, the Heat transfer coefficients and thus the necessary cooling times to reach the filling temperature compared to cooling devices of the prior art entirely reduce considerably.
  • the interior the boiler can be acted upon by a vacuum.
  • d. H. at temperatures between about 80 and 40 ° C the temperature gradient be further increased.
  • the interior of the boiler should have an overpressure of at least 3 bar be acted upon to be able to make a sterilization of the boiler with superheated steam.
  • An apparatus 1 shown in Figure 1 for discontinuous cooling and mixing a flowable fruit preparation has a cylindrical boiler 2 made of stainless steel with a dome-shaped bottom area 3. Inside the boiler 2 is a around the axis of rotation 4 arranged by means of a motor 5 rotatably drivable agitator 6, the arm-shaped Blades 7 adapted to the curved course of the opposite wall sections 8 are. There is thus a scraper effect of the stirring blades 7, which ensures that especially strongly cooled fruit preparation directly in contact with the wall portions 8 of Kessels 2 is, lifted from these and is conveyed into the interior of the boiler 2.
  • a double jacket 9 which has a gap 10 limited by a heat transfer medium in the form of a compression refrigerant is conductive.
  • the container 2 is closed at its top with a lid 13, in the one hand a with a valve 14 closable product inlet 15 opens. Furthermore, one penetrates Vacuum line 16 the cover 13.
  • the from the interior of the boiler 2 by means of a vacuum pump 17 promoted mixture of water vapor and air is passed through a radiator 18th directed.
  • a discharge line 19 In the bottom area 3 of the boiler 2 is a discharge line 19, which to buffer storage 20 leads for the cooled product.
  • a separation tank 21 for the compression refrigerant goes to the underside thereof a leading to the refrigerant inflow 11 supply line 22, in the course of which a pump 23 is arranged.
  • a drain line 24 connected, which is connected to the refrigerant outlet 12 to the double jacket 9.
  • a mirror 25 of the liquid compression refrigerant is formed out in the separation tank 21, a mirror 25 of the liquid compression refrigerant is formed out. Above the mirror, on the one hand, a line 26 goes out, which via a compressor 27 and a radiator 28 is guided to a throttle 29, which via a line 30 to the separating vessel 21 is connected.
  • the empty vessel 2 is a hot fruit preparation with a Temperature of about 80 to 90 ° C fed until a level up to a mirror 31 established.
  • the fruit preparation is constantly in motion by rotation of the agitator 6 held.
  • the compression refrigerant in the form of liquid ammonia directed.
  • the one with a temperature of about minus 17 ° in the range of the refrigerant inflow 11 evaporates into the gap 10 of the double mantle 9 entering ammonia partly due to the product to be cooled.
  • the cooling device formed by the device 1 operates in the manner of a flooded heater, wherein the proportion of gaseous ammonia upon exiting the refrigerant effluent 12 is about 30 percent by mass.
  • the ammonia enters the separation tank 21 takes place a separation of the liquid and the gaseous phase: While the liquid Phase on the supply line 22 and the pump 23 again the gap 10 of the double mantle 9 is supplied, the gaseous fraction is compressed by means of the compressor 27, wherein its temperature increases to about 100 ° C. After a re-cooling in the cooler 28 to about 45 ° C takes place after the throttle 29, an expansion of the ammonia, which then in partially liquid form is fed to the separation tank 21.
  • the speed of the motor 5 is chosen so that in the period between the sweeping two consecutive stirring blades 7 a thin Ice layer can form, which is lifted by the stirring blades 7 and into the interior of the container 2 is transported.
  • the Schmelzentalpie can thus in the interior of the container for cooling the Fruit preparation can be used.
  • the content of the boiler 2 is discharged by opening the corresponding valves 32 in one of the buffer tank 20.
  • the capacity of the container 2 is about 1700 kg of a fruit preparation.
  • Figure 2 shows the course of two Abkühlkurven a fruit preparation - each without application the vacuum cooling -, once using the inventive Method (curve A) and on the other in a cooling method according to the prior art (Curve B) using a cooling sole as a heat transfer medium in the space 10 of the double mantle 9.
  • the batch quantity of the non-particulate used as a test Fruit preparation was 300 kg.
  • the cooling takes place in the inventive Method (curve A) with a very large temperature gradient, so that already After about 20 minutes, a temperature of 40 ° C and after about another 15 minutes, a temperature of 20 ° C can be achieved. Even a cooling to a temperature of 10 ° C is possible in less than 50 minutes.
  • the cooling of the same fruit preparation is in use a conventional cooling sole made of propylene glycol instead of ammonia as in the invention from the beginning with a smaller temperature gradient. While the At first, differences may not be too important - a temperature of 40 ° C can be reached after about 50 minutes - the temperature curve runs in particular in Area below 40 ° C extremely flat. While a temperature of 20 ° C only after approx. 165 minutes can be reached, another cooling down to 10 ° C would be another take a very long time. Especially in the area of low temperatures, where A support by a vacuum cooling is not meaningfully possible, can thus be achieve enormous time advantages with the method according to the invention.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum diskontinuierlichen Kühlen und Mischen einer fließfähigen Lebensmittelzubereitung in einem mit einem rotierenden Rührwerk ausgestatteten Kessel, wobei die Lebensmittelzubereitung mittels des Rührwerks entlang von Wandbereichen des Kessels bewegt wird und wobei ein von einem Doppelmantel des Kessels gebildeter Zwischenraum von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird, welches in einer Kühleinrichtung rückgekühlt und im rückgekühlten Zustand wieder dem Doppelmantel des Zwischenraums zugeführt wird.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum diskontinuierlichen Kühlen und Mischen einer fließfähigen Lebensmittelzubereitung, mit einem Kessel, der mit einem drehantreibbaren Rührwerk versehen ist, mit dem die Lebensmittelzubereitung entlang von Randbereichen des Kessels bewegbar ist, wobei der Kessel zumindest bereichsweise einen Doppelmantel aufweist, durch dessen Zwischenraum ein Wärmeträgermedium leitbar ist.
Das vorgenannte Verfahren sowie die vorgenannte Vorrichtung sind allgemein bekannt und werden insbesondere im Bereich der Herstellung von Fruchtzubereitungen angewendet. In der Regel wird die Fruchtzubereitung zunächst in einem separaten, dem Kühlkessel vorgeschalteten Heizkessel gekocht und mit Zucker versetzt und anschließend in einem pasteurisierten Zustand in den in der Regel weiter unten angeordneten Kühlkessel abgelassen. Sowohl die Kochkessel als auch die Kühlkessel sind in der Regel großvolumig ausgebildet, um trotz der Chargenproduktion einen entsprechend großen Mengendurchsatz zu erzielen. So sind Chargenmassen von mehreren hundert Kilogramm üblich, wobei auch Massen bis über 1000 kg bereits realisiert wurden.
Vorrichtungen zum diskontinuierlichen Kühlen von Getränken sind aus der Patentschrift US 6 082 123 bekannt. Weiterhin sind Gefriermaschinen zur Herstellung von Eiskreme bekannt (z.B. US 4 162 127).
Während nach dem Stand der Technik der Doppelmantel des Kochkessels mit Wasserdampf durchströmt wird, wird als Wärmeträgermedium zur Kühlung des Kühlkessels in aller Regel eine sogenannte Kühlsohle verwendet, bei der es sich häufig um einen höherwertigen Alkohol wie beispielsweise Propylenglykol handelt. Bei der Herstellung von Lebensmittelzubereitungen ist es von großer Bedeutung, die Abkühlzeiten so kurz wie möglich zu halten. Einerseits geht eine geringe Abkühlgeschwindigkeit insbesondere bei höheren Temperaturniveaus mit einem Verlust an Vitaminen und Aromastoffen des Endprodukts einher. Des weiteren wird die mit einem solchen Kühlkessel pro Zeiteinheit verarbeitbare Masse durch lange Abkühlzeiten vermindert, so daß die Produktivität und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sinkt. Als besonders kritisch ist in diesem Zusammenhang der Temperaturbereich von unter 35 bis 40°C anzusehen, da die Abkühlgeschwindigkeit bis zum Erreichen der Abfülltemperatur, die bei ca. 15 bis 20°C liegt, stark absinkt. Die beginnend bei Temperaturen von ca. 80°C anfänglich sehr großen Temperaturgradienten lassen sich insbesondere auch dann erzielen, wenn zusätzlich zu der Mantelkühlung mit Kühlsohle noch ein Vakuum an den Kessel angelegt wird. Durch die dann auch bei niedrigeren Temperaturen fortgesetzte Verdampfung von Wasser wird der Fruchtzubereitung die nicht unerhebliche Verdampfungsenthalpie des verdampfenden Wassers entzogen. Der rückgekühlte und kondensierte Wasserdampf wird üblicherweise der Fruchtzubereitung wieder zugesetzt, um den Wassergehalt durch die Vakuumkühlung nicht zu verändern.
Es besteht bereits seit geraumer Zeit das Bedürfnis, die Produktivität derartiger diskontinuierlicher Kühl- und Mischverfahren zu erhöhen, wobei angestrebt wird, die als eine Charge verarbeitete Masse zu vergrößern. Bei der Verwendung zylindrischer Kühlkessel mit rotatorisch bewegten Rührwerken führt eine Massen-, d. h. eine Volumenvergrößerung, zwangsläufig zu einer Verkleinerung des Oberflächen-Volumen-Verhältnisses, wenn die Bauhöhe des Kessels nicht überproportional vergrößert werden soll, was aus wirtschaftlichen Gründen kaum möglich ist. Das verkleinerte Oberflächen-Volumen-Verhältnis führt aber zu einem erschwerten Wärmeübergang aus der Fruchtzubereitung in den Doppelmantel, so daß die Abkühlzeiten tendenziell wieder vergrößert werden, was der Wirtschaftlichkeit grundsätzlich zuwider läuft.
Aus diesem Grunde ist versucht worden, den Wärmeübergang in den Doppelmantel durch Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeträgermedium und der Fruchtzubereitung zu vergrößern, das heißt, die Temperatur der Kühlsohle zu reduzieren. Dieser Effekt führt jedoch aus dem nachfolgend erläuterten Grund nicht zu der gewünschten Vergrößerung des Wärmeübergangs. Mit sinkender Temperatur der Kühlsohle nimmt nämlich deren Viskosität überproportional zu, so daß innerhalb des Doppelmantels die Turbulenz der Strömung der Kühlsohle reduziert bzw. gänzlich unterbunden wird. Mit dieser Reduzierung der Turbulenz geht jedoch auch eine Reduzierung des Wärmeübergangskoeffizienten einher, da der Abtransport von Wärme von der Kesselwandung in das Innere der Kühlsohle erschwert wird. Es konnte durch experimentelle Untersuchungen der Anmelderin festgestellt werden, daß bei gegebenem Querschnitt des Doppelmantels ab einer gewissen Kühlsohlentemperatur trotz weiterer Temperaturreduzierung der effektive Wärmeübergang sinkt. In diesem Punkt sind die Grenzen einer Verkürzung der Abkühlzeit erreicht, weshalb nach anderen Lösungen gesucht werden muß.
Zum Stand der Technik zählen des weiteren sogenannte Schaberwärmetauscher, mit denen ein kontinuierliches Verfahren zur Erhitzung bzw. Abkühlung von Lebensmittelzubereitungen betrieben werden kann. Üblicherweise werden mehrere solcher Schaberwärmetauscher in Kolonnen hintereinander geschaltet, da mit jeder Stufe sinnvollerweise nur eine bestimmte Temperaturdifferenz erzielbar ist. Während üblicherweise nach einem Pufferspeicher mit einem Vorrat an flüssiger Lebensmittelzubereitung zunächst ein als Erhitzer wirkender Schaberwärmetauscher angeschlossen ist, sind diesem Erhitzer üblicherweise zwei oder mehr als Kühler wirkende Schaberwärmetauscher nachgeschaltet. Diese Schaberwärmetauscher weisen einen inneren rotierenden Zylinder auf, der an seiner Mantelfläche mit einer Mehrzahl von sich in axiale Richtung erstreckenden Schabern versehen ist. Die Schaber streifen entlang einer inneren Mantelfläche eines weiteren Zylinders. Zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder ist ein Zwischenraum mit einer Breite von ca. 15 mm eingeschlossen, durch den die Lebensmittelzubereitung in axiale Richtung strömt. Die Bewegung der Lebensmittelzubereitung ist insgesamt schraubengangförmig, da sich die axiale Strömungsrichtung und die tangenziale, durch die Schaberelemente bedingte Bewegungsrichtung überlagern. Das typische in einem Schaberwärmetauscher befindliche Volumen beträgt ca. 30 l.
Um den zweiten Zylinder herum ist ein dritter Zylinder angeordnet, wobei der Zwischenraum zwischen dem zweiten und dem dritten Zylinder von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Als Wäremträgermedium wird hier beispielsweise Ammoniak verwendet. Aufgrund der kleinen Füllmasse derartiger Schaberwärmetauscher und der geringen Schichtdicke der zu kühlenden Lebensmittelzubereitung, kann die Durchtrittsgeschwindigkeit vergleichsweise groß gewählt werden, woraus kurze Aufenthaltszeiten der Lebensmittelzubereitung in dem Schaberwärmetauscher resultieren. Aufgrund des kontinuierlichen Prozesses ist eine Vakuumkühlung in Verbindung mit Schaberwärmetauschern nicht möglich. Als nachteilig bei kontinuierlichen Verfahrensweisen ist es des weiteren anzusehen, daß der Wechsel zwischen unterschiedlichen Produktsorten aufgrund der erforderlichen komplizierten Reinigungsvorgänge nicht ohne weiteres möglich ist, so daß eine wirtschaftliche Herstellung von kleineren Mengen nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein diskontinuierliches Verfahren zum Kühlen und Mischen einer fließfähigen Lebensmittelzubereitung zu schaffen, mit dem sich trotz der Chargenproduktion auf wirtschaftliche Weise hohe Produktionsmengen pro Zeiteinheit erzielen lassen. Des weiteren soll mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Wärmeträgermedium ein Kompressionskältemittel verwendet wird, das innerhalb des Zwischenraums des Wärmemantels zumindest zum Teil von der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht.
Durch die Verwendung eines derartigen Kompressionskältemittels wird der Effekt der Viskositätserhöhung auch bei größerer Absenkung der Temperatur vermieden. Das Kompressionskältemittel verdampft im Verlaufe seines Wegs durch den Doppelmantel zumindest zum Teil und geht somit teilweise in die gasförmige Phase über. Aufgrund der für diesen Phasenübergang erforderlichen Verdampfungsentalpie kann dem zu kühlenden Kessel eine große Wärmemenge entzogen werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich somit sehr hohe Wärmübergangskoeffizienten im Bereich des Doppelmantels realisieren, so daß die Abkühlzeiten deutlich reduziert werden können. Eine drastische Verkürzung der benötigten Zeit, das heißt eine drastische Steigerung des erzielbaren Temperaturgradienten tritt ganz besonders im Temperaturbereich von unter 40°C ein. Die Abfülltemperatur kann somit wesentlich schneller erreicht werden, weshalb die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nach der Erfindung vortrefflich ist.
Als Kältemittel könnten beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) oder wasserstoffhaltige Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFCKW) verwendet werden. Hierzu zählen beispielsweise die mit den Kürzeln R22, R123 und R124 bezeichneten Kältemittel. Alternativ hierzu kommt aber selbstverständlich auch die Verwendung chlorfreier, wasserstoffhaltiger Fluorchlorkohlenwasserstoffe (chlorfreie HFKW) in Frage. Hierzu zählen beispielsweise die mit den Kurzbezeichnungen R134a, R32, R404A, R410A und R507A versehenen Stoffe. Außerdem kommen auch gänzlich halogenfreie Kältemittel in Betracht, wie beispielsweise Propan (R290), Ammoniak (R717), CO2 (R744) oder auch die Kältemittel R600A oder R170. Die vorstehende Aufzählung ist lediglich beispielhaft und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß während des Abkühlvorgangs zumindest zeitweise an den Innenraum des Kessels ein Vakuum angelegt wird. Hierdurch kann insbesondere im oberen Temperaturbereich eine weitere Steigerung der Abkühlgeschwindigkeit erreicht werden.
Der Effekt einer Vergrößerung der Abkühlgeschwindigkeit ist besonders groß, wenn das Vakuum während eines Zeitraums angelegt wird, indem die Temperatur des Lebensmittels noch oberhalb von ca. 30°C, vorzugsweise oberhalb von ca. 40°C ist.
Um den Wassergehalt der Lebensmittelzubereitung durch den Dampfentzug in Folge einer Vakuumkühlung nicht zu verändern, können die beim Erzeugen des Vakuums aus dem Kessel abgezogenen Brüden des wasserhaltigen Lebensmittels kondensiert und wieder dem Kessel zugeführt werden.
Bei Verwendung sogenannter wandgängiger Rührwerke kann das Lebensmittel von den damit beaufschlagten Wandbereichen des Lebensmittels abgeschabt werden. Es findet somit ein Transport besonders kühler Lebensmittelzubereitungen in das Innere des Kessels statt, so daß auch dort ein schnellerer Temperaturrückgang eintritt. Vorzugsweise wird die Temperatur der von dem Schaber überstrichenen Wandbereiche des Kessels in Verbindung mit der Drehzahl des Rührwerks so eingestellt, daß sich an der Kesselwandung eine geringe Eisschicht bildet, die beim nächsten Überstreichen von den Schaberelementen des Rührwerks abgetragen wird. Auf diese Weise kann die Schmelzentalpie an das im Innern des Kessels befindliche Produkt abgegeben werden. Hierdurch kann der insbesondere bei großvolumigen Kesseln mit einem kleinen Oberflächen-Volumen-Verhältnis der Abtransport der Wärme aus dem Innern des Kessels verbessert werden.
Auch wenn grundsätzlich der Kessel nach Art eines trockenen Wärmetauschers betrieben werden kann, wird gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, daß innerhalb des Zwischenraums des Doppelmantels ein Blasensieden des Kompressionskältemittels stattfindet. Bei dieser Art eines sogenannten überfluteten Wärmetauschers ist der Wärmeübergang wegen des Phasenwechsels des Kompressionskältemittels, das heißt der Aufnahme der Verdampfungsenthalpie einerseits und der mit dem Aufsteigen der Blasen einhergehenden Erhöhung der Turbulenz der flüssigen Bestandteile besonders groß. Bei den bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren typischerweise vorliegenden Temperaturdifferenzen im Bereich von deutlich kleiner als 150°C ist die Gefahr des Auftretens einer sogenannten Filmverdampfung, bei der der Wärmeübergangskoeffizient gegenüber dem Blasensieden drastisch abfällt, nicht gegeben.
Die Erfindung weiter ausgestaltend ist vorgesehen, daß die Kühleinrichtung ein Wärmetauscher ist, der von einem zweiten Kompressionskältemittel durchströmt wird, das in einem zweiten Kältemittelkreislauf geführt wird und mit dem ersten Kompressionskältemittel im Wärmeaustausch steht. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, den Doppelmantel als Primärkreis mit einem chlorfreien HFKW zu betreiben und in einem außerhalb der eigentlichen Produktionsstätte unterbringbaren Sekundärkreislauf beispielsweise Ammoniak als Kompressionskältemittel zu verwenden. Diese Kombination kann deshalb besonders vorteilhaft sein, weil bisweilen die Verwendung von Ammoniak in der Produktionsstätte unerwünscht ist und hierdurch allein in den Maschinenraum verlagert werden kann. Jede andere aus besonderen Gründen gewünschte Kombination von Kältemitteln ist jedoch gleichfalls denkbar.
In bezug auf die bereitzustellende Vorrichtung wird die zugrunde liegende Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Zwischenraum in dem Doppelmantel mit einem Druck von mindestens 10 bar beaufschlagbar ist.
Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, mit Vorrichtungen, die sich gegenüber dem Stand der Technik nur durch die druckfeste Gestaltung des Doppelmantels unterscheiden, das erfindungsgemäße Verfahren, das heißt die Verwendung eines Kompressionskältemittels zu realisieren. Auch wenn der Druck im Betriebspunkt der Vorrichtung nur bei in der Regel wenigen bar liegt (bei Ammoniak mit einer Temperatur von - 17°C bei rund 2 bar), kann sich das in dem Zwischenraum des Doppelmantels befindliche Kompressionskältemittel insbesondere bei Stillstandszeiten im Sommer bis auf Raumtemperatur oder auch darüber erhitzten. Im Falle von Ammoniak liegt in diesem Fall ein Druck von rund 17 bar vor, dem der Doppelmantel durch Bereitstellung einer entsprechend soliden Konstruktion widerstehen muß.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich somit dadurch aus, daß mit ihr nicht nur Kühlsohlen verwendbar sind, sondern auch Kompressionskältemittel, bei denen im Doppelmantel ein Phasenwechsel auftritt. Durch die niedrigen Temperaturen, die mit derartigen Kompressionskältemitteln bei kaum zunehmender Viskosität realisierbar sind, lassen sich die Wärmeübergangskoeffizienten und damit die erforderlichen Abkühlzeiten bis zur Erreichung der Abfülltemperatur gegenüber von Kühlvorrichtungen nach dem Stand der Technik ganz erheblich reduzieren.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß der Innenraum des Kessels mit einem Vakuum beaufschlagbar ist. Hierdurch kann insbesondere in der Anfangsphase des Abkühlprozesses, d. h. bei Temperaturen zwischen ca. 80 und 40°C der Temperaturgradient weiter gesteigert werden.
Des weiteren sollte der Innenraum des Kessels mit einem Überdruck von mindestens 3 bar beaufschlagbar sein, um eine Sterilisierung des Kessels mit Heißdampf vornehmen zu können.
Um den Wassergehalt der Lebensmittelzubereitung in Folge einer Vakuumkühlung nicht zu verändern, sollten die bei der Evakuierung des Innenraums des Kessels entstehenden Brüden der wasserhaltigen Lebensmittelzubereitung kondensierbar und das Kondensat in den Innenraum des Kessels rückleitbar sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung nach der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1
eine skizzenhafte Darstellung einer Vorrichtung zum diskontinuierlichen Kühlen und Mischen einer Fruchtzubereitung und
Fig. 2
den grafischen Verlauf der Produkttemperatur über der Zeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie bei einem Verfahren nach dem Stand der Technik.
Eine in Figur 1 dargestellte Vorrichtung 1 zum diskontinuierlichen Kühlen und Mischen einer fließfähigen Fruchtzubereitung besitzt einen aus Edelstahl bestehenden zylindrischen Kessel 2 mit einem kalottenförmigen Bodenbereich 3. Im Innern des Kessels 2 ist ein um die Drehachse 4 mittels eines Motors 5 drehantreibbares Rührwerk 6 angeordnet, dessen ankerförmige Rührblätter 7 dem gekrümmten Verlauf der gegenüberliegenden Wandabschnitte 8 angepaßt sind. Es liegt somit ein Schabereffekt der Rührblätter 7 vor, der dafür sorgt, daß besonders stark abgekühlte Fruchtzubereitung, die unmittelbar in Kontakt mit den Wandbereichen 8 des Kessels 2 steht, von diesen abgehoben und in das Innere des Kessels 2 gefördert wird. In einem unteren Bereich ist der Kessel 2 mit einem Doppelmantel 9 versehen , der einen Zwischenraum 10 begrenzt, durch den ein Wärmeträgermedium in Form eines Kompressionskältemittels leitbar ist.
In den Zwischenraum 10 des Doppelmantels 9 mündet im Bodenbereich 3 ein Kältemittelzufluß 11, wohingegen vom oberen Ende des Zwischenraums 10 ein Kältemittelabfluß 12 abgeht.
Der Behälter 2 ist an seiner Oberseite mit einem Deckel 13 verschlossen, in den einerseits ein mit einem Ventil 14 absperrbarer Produkteinlauf 15 mündet. Des weiteren durchdringt eine Vakuumleitung 16 den Deckel 13. Die aus dem Innenraum des Kessels 2 mit Hilfe einer Vakuumpumpe 17 geförderte Mischung aus Wasserdampf und Luft wird durch einen Kühler 18 geleitet. Im Bodenbereich 3 geht von dem Kessel 2 eine Abflußleitung 19 aus, die zu Pufferspeichern 20 für das abgekühlte Produkt führt.
Von einem Abscheidebehälter 21 für das Kompressionskältemittel geht an dessen Unterseite eine zu dem Kältemittelzufluß 11 führende Zuflußleitung 22 aus, in deren Verlauf eine Pumpe 23 angeordnet ist. An den Abscheidebehälter 21 ist an einer Seitenwand eine Abflußleitung 24 angeschlossen, die mit dem Kältemittelabfluß 12 an dem Doppelmantel 9 verbunden ist.
In dem Abscheidebehälter 21 bildet sich ein Spiegel 25 des flüssigen Kompressionskältemittels aus. Oberhalb des Spiegels geht zum einen eine Leitung 26 aus, die über einen Verdichter 27 und einen Kühler 28 zu einer Drossel 29 geführt ist, die über eine Leitung 30 mit dem Abscheidebehälter 21 verbunden ist.
Das mit der Vorrichtung 1 durchführbare Verfahren läuft wie folgt ab:
Über den Produkteinlauf 15 wird dem leeren Kessel 2 eine heiße Fruchtzubereitung mit einer Temperatur von ca. 80 bis 90 °C zugeführt, bis sich ein Füllstand bis zu einem Spiegel 31 einstellt. Die Fruchtzubereitung wird durch Rotation des Rührwerks 6 ständig in Bewegung gehalten.
Durch den Doppelmantel 10 wird das Kompressionskältemittel in Form von flüssigem Ammoniak geleitet. Der mit einer Temperatur von ca. minus 17° im Bereich des Kältemittelzuflusses 11 in den Zwischenraum 10 des Doppelmantels 9 eintretende Ammoniak verdampft teilweise durch das zu kühlende Produkt.
Die von der Vorrichtung 1 gebildete Kühleinrichtung arbeitet nach Art eines überfluteten Erhitzers, wobei der Anteil des gasförmigen Ammoniaks beim Austritt aus dem Kältemittelabfluß 12 ca. 30 Massenprozent beträgt. Nach Eintritt des Ammoniaks in den Abscheidebehälter 21 findet eine Trennung der flüssigen und der gasförmigen Phase statt: Während die flüssige Phase über die Zuflußleitung 22 und die Pumpe 23 wieder dem Zwischenraum 10 des Doppelmantels 9 zugeführt wird, wird der gasförmige Anteil mittels des Verdichters 27 komprimiert, wobei sich seine Temperatur auf ca. 100°C erhöht. Nach einer Rückkühlung im Kühler 28 auf ca. 45 °C erfolgt nach der Drossel 29 eine Expansion des Ammoniaks, der sodann in teilweise flüssiger Form dem Abscheidebhälter 21 zugeleitet wird.
Aufgrund der durch die Blasen sehr turbulenten Strömung des teilweise flüssigen, teilweise gasförmigen Ammoniaks durch den Zwischenraum 10 des Doppelmantels 9 ist der Wärmeübergang von der Fruchtzubereitung - insbesondere in Verbindung mit den wandgängigen Rührblättern 7 - sehr gut. Die Drehzahl des Motors 5 wird so gewählt, daß sich in dem Zeitraum zwischen dem Überstreichen zweier aufeinander folgender Rührblätter 7 eine dünne Eisschicht bilden kann, die durch die Rührblätter 7 abgehoben und in das Innere des Behälters 2 befördert wird. Die Schmelzentalpie kann somit im Innern des Behälters zur Abkühlung der Fruchtzubereitung genutzt werden.
Ist die Lebensmittelzubereitung bis auf eine Temperatur ca 20°C abgekühlt, so wird der Inhalt des Kessels 2 durch Öffnen der entsprechenden Ventile 32 in einen der Pufferbehälter 20 abgelassen. Die Kapazität des Behälters 2 beträgt ca. 1700 kg einer Fruchtzubereitung.
Figur 2 zeigt den Verlauf zweier Abkühlkurven einer Fruchtzubereitung - jeweils ohne Anwendung der Vakuumkühlung -, und zwar einmal bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (Kurve A) und zum anderen bei einem Kühlverfahren nach dem Stand der Technik (Kurve B) unter Verwendung einer Kühlsohle als Wärmeträgermedium im Zwischenraum 10 des Doppelmantels 9. Die Chargenmenge der testweise verwendeten, nicht stückigen Fruchtzubereitung betrug 300 kg.
Ausgehend von der Starttemperatur von ca. 77 °C erfolgt die Abkühlung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurve A) mit einem sehr großen Temperaturgradienten, so daß bereits nach ca. 20 Minuten eine Temperatur von 40°C und nach ca. weiteren 15 Minuten ein Temperatur von 20°C erreicht werden kann. Selbst eine Abkühlung auf eine Temperatur von 10°C ist in deutlich weniger als 50 Minuten möglich.
Im Vergleich hierzu verläuft die Abkühlung derselben Fruchtzubereitung bei Verwendung einer konventionellen Kühlsohle aus Propylenglykol anstelle von Ammoniak wie bei der Erfindung von Beginn an mit einem betraglich kleineren Temperaturgradienten. Während die Unterschiede anfänglich noch nicht allzusehr ins Gewicht fallen mögen - eine Temperatur von 40°C ist nach ca. 50 Minuten erreichbar - verläuft die Temperaturkurve insbesondere im Bereich unterhalb von 40°C extrem flach. Während eine Temperatur von 20°C erst nach ca. 165 Minuten erreicht werden kann, würde eine weitere Abkühlung bis auf 10°C eine weitere sehr große Zeit in Anspruch nehmen. Insbesondere im Bereich niedriger Temperaturen, wo eine Unterstützung durch eine Vakuumkühlung nicht sinnvoll möglich ist, lassen sich somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren enorme Zeitvorteile erzielen.

Claims (12)

  1. Verfahren zum diskontinuierlichen Kühlen und Mischen einer fließfähigen Fruchtzubereitung in einem mit einem rotierenden Rührwerk ausgestatteten Kessel, wobei die Fruchtzubereitung mittels des Rührwerks entlang von Wandbereichen des Kessels bewegt wird und wobei ein von einem Doppelmantel des Kessels gebildeter Zwischenraum von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird, welches in einer Kühleinrichtung rückgekühlt und im rückgekühlten Zustand wieder dem Zwischenraum des Doppelmantels zugeführt wird, wobei des weiteren der Kessel zu Beginn des Kühlprozesses mit einer Chargenmenge von mindestens mehreren hundert Kilogramm der Fruchtzubereitung befüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgermedium ein Kompressionskältemittel verwendet wird, das innerhalb des Zwischenraums des Doppelmantels zumindest zum Teil von der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abkühlvorgangs zumindest zeitweise an den Innenraum des Kessels ein Vakuum angelegt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum während eines Zeitraums angelegt wird, in dem die Temperatur der Fruchtzubereitung noch oberhalb von ca. 30°C ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Erzeugen des Vakuums aus dem Kessel abgezogenen Brüden der wasserhaltigen Fruchtzubereitung kondensiert und wieder dem Kessel zugeführt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Rührwerks die Fruchtzubereitung von Wandbereichen des Kessels abgeschabt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Zwischenraums des Doppelmantels ein Blasensieden des Kompressionskältemittels stattfindet.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung ein Wärmetauscher ist, der von einem zweiten Kompressionskältemittel durchströmt wird, das in einem zweiten Kältemittelkreislauf geführt wird und mit dem ersten Kompressionskältemittel im Wärmeaustausch steht.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum in dem Doppelmantel von einem FCKW, einem HFCKW, einem HFKW und der zweite Kältemittelkreislauf von einem halogenfreien Kältemittel, z. B. NH3, durchströmt wird.
  9. Vorrichtung (1) zum diskontinuierlichen und chargenweisen Kühlen und Mischen einer fließfähigen Fruchtzubereitung, mit einem Kessel (2), der mit einem drehantreibbaren Rührwerk (6) versehen ist, mit dem die Fruchtzubereitung entlang von Wandbereichen (8) des Kessels (2) bewegbar ist, wobei der Kessel (2) zur Aufnahme von Chargenmengen von mindestens mehreren hundert Kilogramm vorgesehen ist und zumindest bereichsweise einen Doppelmantel (9) aufweist, durch dessen Zwischenraum (10) ein Wärmeträgermedium leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (10) mit einem Druck von 17 bar beaufschlagbar ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Kessels (2) mit einem Vakuum beaufschlagbar ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Kessels (2) mit einem Überdruck von mindestens 3 bar beaufschlagbar ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Evakuierung des Innenraums des Kessels (2) entstehende Brüden der Fruchtzubereitung kondensierbar und das Kondensat in den Innenraum des Kessels (2) rückleitbar ist.
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